Метаповерхности излучили запутанные фотоны с переменной длиной волны

Американские и немецкие физики изготовили тонкие метаповерхности, состоящие из массивов кремниевых нанорезонаторов, в которых наблюдается спонтанное параметрическое рассеяние. Они показали, что такие структуры способны генерировать запутанные фотоны. В отличие от традиционных сред, используемых для этого, метаповерхности обладают большей гибкостью, что позволяет менять длину волны рождающихся фотонов изменением длины волны накачки. Предложенные структуры могут быть также полезны при генерации запутанных многокубитных состояний. Исследование опубликовано в Science.

Оптические квантовые технологии зачастую базируются на использовании света, чьи свойства невозможно получить с помощью классических источников. Это могут быть сжатые световые поля, поля, состоящие из одиночных фотонов или фотонов, переносящих классическую и квантовую информацию необычным способом, а также поля, состоящие из запутанных фотонов.

В большинстве экспериментов физики добиваются нужных эффектов с помощью нелинейных процессов — спонтанного параметрического рассеяния и четырехволнового смешения, — обычно протекающих в кристаллах или волокнах. Такие условия накладывают строгие ограничения на импульсы участвующих фотонов в силу соответствующего закона сохранения. И хотя упомянутые методы стали стандартным и надежным инструментом экспериментальной квантовой оптики, импульсные ограничения ухудшают их универсальность.

Физики из Института физики света Общества Макса Планка под руководством Марии Чеховой (Maria Chekhova) объединились с коллегами из Национальных лабораторий Сандии под руководством Игала Бренера (Igal Brener) чтобы попытаться расширить применимость спонтанного параметрического рассеяния. Они обратили внимание на то, что в средах, чья толщина существенно меньше длины волны, требования на согласование импульсов смягчаются. Изготовив несколько тонких метаповерхностей, состоящих из кремниевых нанорезонаторов, авторы показали, что генерация запутанных фотонов с их помощью обладает большей гибкостью.

Кремний хорошо подходит на роль материала для спонтанного параметрического рассеяния в метаповерхности благодаря своим сильно нелинейным свойствам. Физики изготавливали из него массивы квадратных резонаторов, «испорченных» дополнительным зубчиком. Такой прием нарушал вращательную симметрию резонатора, открывая связь между его модой (в данном случае это было связанное состояние света в континууме) и модами в дальнем поле. Всего резонаторы поддерживали две моды: электрическую дипольную (ED) и магнитную дипольную (MD), каждая из которых обладала своей добротностью и откликом на поляризацию света.

Авторы облучали метаповерхности накачкой и следили за свойствами рождающихся фотонов. Всего ученые изготовили три образца. В первом из них длина волны накачки, равная 723,4 нанометра, в точности соответствовала удвоенной длине волны ED-моды. Оба рождающихся фотона имели длину волны 1446,8 нанометра. Для накачки второго образца ученые использовали свет с длиной волны 718,2 нанометра, однако пик ED-моды приходился на 1390,9 нанометра. В результате метаповерхность создавала два фотона: один, сигнальный, на длине волны ED-моды, другой, холостой, — на длине волны 1485 нанометров, что соответствует остатку при делении энергии фотона накачки. В третьем образце в процесс были включены как ED, так и MD-мода. Это привело к возникновению в спектре излучения четырех пиков, два из которых соответствовали сигнальным фотонам, а два — холостым.

Физики убеждались в запутанности рождаемых пар, разделяя их на светоделителе по разным однофотонным детекторам и анализируя корреляционную функцию второго порядка. Убедившись в наличие корреляций, авторы предложили схему генерации более сложных состояний, а именно запутанных многокубитных состояний, необходимых для однонаправленных квантовых вычислений. Для этого фотоны накачки сами должны находиться в состоянии квантовой суперпозиции по частотам. Этого можно добиться с помощью технологии оптических частотных гребенок либо с помощью фильтрации суперконтинуума. К сожалению, у авторов текущего исследования не было таких источников света, однако спектр, которые их метаповерхности генерировали под действием некогерентной многоцветной накачки, свидетельствовал о принципиальной возможности такого подхода.

Запутанные многокубитные состояния фотонов можно получать и другим способом, не задействуя спонтанное параметрическое рассеяние. Совсем недавно мы рассказывали, как немецкие ученые сделали это с помощью одного атома, запертого в резонаторе.

Марат Хамадеев